De la théorie des semigroupes à la vectorisation : valider les langages réguliers

From semigroup theory to vectorization : recognizing regular languages

• Auteur / Autrice : Claire Soyez-Martin
• Direction : Sylvain Salvati, Michaël Hauspie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et applications
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inria de l'Université de Lille - Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
• Jury : Président / Présidente : Pierre Senellart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Tison, Tatiana Starikovskaya, Charles Paperman
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Damien Pous, Sylvain Schmitz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Programmation parallèle (informatique)

Semigroupes

Expressions rationnelles

Mots clés libres

Algorithme de flots

Théorie algébgrique des automates

Circuit booléen

Vectorisation (informatique)

Regular expression

Streaming

Algebraic automata theory

Boolean circuit

Vectorization

Résumé

L'évaluation efficace des expressions régulières constitue un défi persistant depuis de nombreuses décennies. Au fil du temps, des progrès substantiels ont été réalisés grâce à une variété d'approches, allant de nouveaux et ingénieux algorithmes à des optimisations complexes de bas niveau.Les outils de pointe de ce domaine utilisent ces techniques d'optimisation, et repoussent constamment les limites de leur efficacité. Une avancée notoire réside dans l'intégration de la vectorisation, qui exploite une forme de parallélisme de bas niveau pour traiter l'entrée par blocs, entraînant ainsi d'importantes améliorations de performances. Malgré une recherche approfondie sur la conception d'algorithmes sur mesure pour des tâches particulières, ces solutions manquent souvent de généralisabilité, car la méthodologie sous-jacente à ces algorithmes ne peut pas être appliquée de manière indiscriminée à n'importe quelle expression régulière, ce qui rend difficile son intégration dans les outils existants.Cette thèse présente un cadre théorique permettant de générer des programmes vectorisés particuliers capables d'évaluer les expressions régulières correspondant aux expressions rationnelles appartenant à une classe logique donnée. L'intérêt de ces programmes vectorisés vient de l'utilisation de la théorie algébrique des automates, qui offre certains outils algébriques permettant de traiter les lettres en parallèle. Ces outils permettent également d'analyser les langages réguliers plus finement, offrent accès à des optimisations des programmes vectorisés basées sur les propriétés algébriques de ces langages. Cette thèse apporte des contributions dans deux domaines. D'une part, nous présentons des implémentations et des benchmarks préliminaires, afin d'étudier les possibilités offertes par l'utilisation de l'algèbre et de la vectorisation dans les algorithmes d'évaluation des expressions régulières. D'autre part, nous proposons des algorithmes capables de générer des programmes vectorisés reconnaissant les langages appartenant à deux classes d'expressions rationnelles, la logique du premier ordre et sa restriction aux formules utilisant au plus deux variables.

The pursuit of optimizing regular expression validation has been a long-standing challenge,spanning several decades. Over time, substantial progress has been made through a vast range of approaches, spanning from ingenious new algorithms to intricate low-level optimizations.Cutting-edge tools have harnessed these optimization techniques to continually push the boundaries of efficient execution. One notable advancement is the integration of vectorization, a method that leverage low-level parallelism to process data in batches, resulting in significant performance enhancements. While there has been extensive research on designing handmade tailored algorithms for particular languages, these solutions often lack generalizability, as the underlying methodology cannot be applied indiscriminately to any regular expression, which makes it difficult to integrate to existing tools.This thesis provides a theoretical framework in which it is possible to generate vectorized programs for regular expressions corresponding to rational expressions in a given class. To do so, we rely on the algebraic theory of automata, which provides tools to process letters in parallel. These tools also allow for a deeper understanding of the underlying regular language, which gives access to some properties that are useful when producing vectorized algorithms. The contribution of this thesis is twofold. First, it provides implementations and preliminary benchmarks to study the potential efficiency of algorithms using algebra and vectorization. Second, it gives algorithms that construct vectorized programs for languages in specific classes of rational expressions, namely the first order logic and its subset restricted to two variables.